Tìm hiểu kỹ thuật phân tập ANTEN trong hệ thống OFDM

1


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADSL
AWGN
BER
BLAST

Asymmetric Digital Subscriber Line
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Bell-Laboratories Layered Space

Đường thuê bao số bất đồng bộ
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Tỷ số lỗi bit
Mã không gian thời gian lớp

BPSK
BS
CCI
CP
CSI
DAB
DFT
DS
DSP
DSSS
DVB
FDM

Time
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Co-channel interference
Cyclic Prefix
Channel State Information
Digital Audio Broadcast system
Discrete Fourier Transform
Delay Spread
Digital Signal Processing
Direct Sequence Spread Spectrum
Digital Video Broadcast
Frequency Division Multiplexing

của phòng thí nghiệm Bell
Điều chế pha nhị phân
Trạm cơ sở
Nhiễu đồng kênh
Tiền tố lặp
Thông tin trạng thái kênh truyền
Hệ thống phát thanh số
Biến đổi Fourier rời rạc
Trải trễ
Xử lí tín hiệu số
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Mạng quảng bá truyền hình số
Ghép kênh phân chia theo tần

FEC

FFT
HDSL

Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
High-bit-rate Digital Subscriber

số
Sửa lỗi tiến
Biến đổi Fourier nhanh
Đường dây thuê bao số tốc độ

HDTV
HPA
ICI

Line
High Definition Televison
High Power Amplifier
Inter-Carrier Interference

cao
Truyền hình độ phân giải cao
Bộ khuếch đại công suất lớn
Nhiễu giao thoa giữa các sóng

IEEE

Institute of Electrical and

mang
Viện kĩ thuật Điện và Điện tử

IFFT
ISI
LOS
MC
MIMO
MISO
ML
MRRC

Electronics Engineers
Inverse Fast Fourier Trasform
Inter Symbol Interference
Light of Sight
Multicarrier Communication
Multiple Input Multiple Output
Multiple Input Single Output
Maximun Likelihood
Maximum Ratio Receive

Biến đổi Fourier ngược nhanh
Nhiễu giao thoa liên kí tự
Tầm nhìn thẳng
Truyền dẫn đa sóng mang
Đa đầu vào đa đầu ra
Đa đầu vào, đầu ra đơn
Hợp lý cực đại
Kết hợp thu tỷ số cực đại

MS

Combining
Mobile Station

Thuê bao di động
2


NLOS
OFDM

NonLight Of Sight
Orthogonal Frequency Division

Không phải tầm nhìn thẳng
Ghép kênh phân chia theo tần

PAPR

Multiplexing
Peak to Average Power Ratio

số trực giao
Tỷ số công suất đỉnh trên công

PSK
QAM
QPSK

SIMO
SISO
SNR
STBC
STC
STTC
SVD
UWB
VDSL

Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modualtion
Quadrature Phase Shift Keying
Single Input Multiple Output
Single Input Single Output
Signal-to-Noise Ratio
Space –Time Block Code
Space Time Coding
Space-Time Trellis Code
Singular Value Decomposition
Ultra-Widebanb
Very-high-speed Digital Subscriber

suất trung bình
Khoá dịch pha
Điều chế biên độ cầu phương
Khoá dịch pha cầu phương
Đơn đầu vào, đa đầu ra
Đơn đầu vào, đầu ra đơn
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Mã khối không gian thời gian
Mã hoá không gian thời gian
Mã lưới không gian thời gian
Phân tích giá trị riêng
Siêu băng rộng
Đường dây thuê bao số tốc độ

WBMCS

Line
Wireless Broadbanb Multimedia

rất cao
Hệ thống truyền thông đa

Communication Systems

phương tiện không dây băng

Wireless Local Area Network
Worldwide Interoperability for

thông rộng
Mạng cục bộ không dây
Khả năng kết nối không dây

Microwave Access

trên diện rộng với truy nhập

WLAN
WIMAX

viba

3


LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu tìm hiểu thông tin và nhu cầu
giải trí càng nhiều. Sự ra đời của các thiết bị thông tin hiện đại nhằm phục vụ cho
nhu cầu này. Các nhà cung cấp dịch vụ bắt buộc phải nghiên cứu những ký thuật
mới để đáp ứng vấn đề về tốc độ và chất lượng dịch vụ di động.
Trước những thách thức đó, sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một
trong những công nghệ đột phá đẩy mạnh sự phát triển của hệ thống thông tin di
động .Kỹ thuật MIMO ra đời sau đó không lâu cũng là một bước tiến trong truy cập
vô tuyến băng rộng. Cùng với kỹ thuật OFDM nhiều kỹ thuật ước lượng kênh
truyền cũng được áp dụng để bên thu nắm được thông tin về kênh truyền cũng như
các tác động của kênh truyền đến tín hiệu. Nhờ đó việc giải mã sẽ chính xác hơn và
nâng cao chất lượng của các dịch vụ di động.
Để tiếp cận sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông hiện nay, Đồ án tốt
nghiệp này tập trung nghiên cứu và khảo sát một mảng nhỏ trong kỹ thuật MIMOOFDM đó là: TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG
OFDM.
Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là tìm hiểu lý thuyết, tính
toán mô phỏng, để từ đó minh hoạ cho một hệ thống thông tin di động áp dụng các
kỹ thuật công nghệ mới hiện nay. Để thực hiện được nội dung đó, đồ án được kết
cấu thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM
Chương 1 của Đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế,

giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu
xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các khối.

4


Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuật
OFDM.
Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.
Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô
tuyến. Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điều
quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền. Chương 2
của đồ án trình bày các tác động của kênh vô tuyến lên tín hiệu và một số phương
pháp ước lượng kênh truyền cơ bản cho việc khôi phục dữ liệu.
Chương 3: Mã hóa không gian thời gian Space-time coding
Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một
anten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lên
tín hiệu. Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật
phân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hình
Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi
thực thi hệ thống.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM
Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học, chương 4 thực
hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằng
chương trình MATLAB. Đồng thời chương này cũng thực hiện hai phương pháp
ước lượng kênh truyền cơ bản là ML và MAP theo lý thuyết trình bày ở chương 2.
Từ đó rút ra một số nhận xét.
Do điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày
của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn
bè.

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của
Thầy Phạm Châu và các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử-Viễn thông, Đại Học
Bách Khoa Đà Nẵng.
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 01 năm 2013
Sinh viên thực hiện
5


Trần Đình Toàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương.
Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền thông đa phương tiện là vấn đề sử
dụng hiệu quả băng thông truyền dẫn cũng như khắc phục các vấn đề của môi trường
truyền dẫn. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được xem là giải
pháp khả quan nhất cho các vấn đề trên.
Hiện nay, nhiều chuẩn mạng không dây như Wifi, DVB, Wi-Max, LTE đã ứng
dụng kỹ thuật OFDM như một phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di động
tốc độ cao.
Chương này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, qua các khái niệm, sự phát
triển của OFDM, tính trực giao của sóng mang, sơ đồ khối cùng các thông số kỹ thuật và
ứng dụng của OFD sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật này.
1.2. Khái niệm OFDM.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequencydivision multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang
do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ, trong đó tập hợp các ký tự được điều chế song
song trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho
phép chồng lấn lên nhau mà ở phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng
lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật điều chế thông thường.
1.3. Sự phát triển của OFDM.

1.3.1. Kỹ thuật FDM.
Là kỹ thuật ghép kênh truyền thống đối với thoại và các kênh quảng bá. Giữa các
sóng mang phải có khoảng bảo vệ tần số không mang dữ liệu để tránh hiện tượng chồng
phổ. Do đó ưu điểm của FDM là tránh được nhiễu xuyên kênh ICI hiệu quả, tuy nhiên điều
này làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông.
1.3.2. Truyền dẫn đa sóng mang.

6


Là một dạng của FDM, tín hiệu vào được chia thành N tín hiệu nhỏ song song, sau
đó điều chế chúng ở N sóng mang khác nhau rồi ghép kênh và đưa lên kênh truyền. Khi
chịu ảnh hưởng xấu từ đáp ứng kênh truyền thì chỉ có một phần nhỏ tín hiệu có ích bị mất
nên sẽ không quá ảnh hưởng đến việc khôi phục tín hiệu gốc. Do vậy, khi sử dụng sóng
mang có tốc độ bit thấp thì tín hiệu gốc được khôi phục chính xác hơn. Tuy nhiên mỗi sóng
mang vẫn cần khoảng bảo vệ tần số để tránh nhiễu nên hiệu quả sử dụng băng thông kém.
1.3.3. Kỹ thuật OFDM.
Được bắt nguồn từ kỹ thuật FDM, được xem là kỹ thuật kết hợp giữa điều chế và
ghép kênh. OFDM chia phổ tần hiện có thành nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang con
được điều chế để truyền một luồng dữ liệu tốc độ thấp. Các sóng mang con này trực giao
với nhau, cho phép phổ của chúng chồng lấn lên nhau mà hoàn toàn không cần dải bảo vệ,
nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống.

f2
f1
f0
Duration TS

1/TS

f0 f1

f2

f

Hình 1.1: Phổ tín hiệu của OFDM
1.4. Tính trực giao.
Các tín hiệu là trực giao với nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau, cho phép
truyền một lúc nhiều tín hiệu trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu. Trong kỹ thuật
OFDM, phổ của các sóng mang phụ được chồng lấn lên nhau, nhưng tín hiệu gốc vẫn được
khôi phục mà không có can nhiễu giữa các sóng mang kề cận.
Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:
Ta sẽ xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.
Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:
Si = sin(mωt) và Sj = sin(nωt)

7


Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá
trị trung bình của nó luôn khác không.
Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng không và
thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chế
tín hiệu.
Về ý nghĩa vật lý, khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không
nhìn thấy tín hiệu cao tần kia, kết quả không bị các tín hiệu cao tần kia gây nhiễu.
Về phương diện phổ, điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi vào
điểm bằng không của các sóng mang khác. [1]

8


h(n)

1.5. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM.
xf(n)

x(n)

Hình 1.2: Mô hình hệ thống OFDM
Mô hình hệ thống OFDM được thể hiện trên hình trên. Tại bên truyền, các tín hiệu
nhị phân được mã hóa và điều chế, tiếp đến là chèn ký tự pilot, tín hiệu đã được điều chế
X(k) được đưa đến khối IFFT và được biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian
x(n):
với n là số sóng mang con, k là chỉ số sóng mang con.
Khoảng bảo vệ được chèn vào ở đây để loại bỏ nhiễu (nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu
xuyên kênh ICI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường) thì trong hệ thống
OFDM người ta dùng tiền tố lặp CP có chứa phần sao chép phần cuối của ký tự OFDM.
Tín hiệu truyền sẽ chịu tác động của kênh truyền fading lựa chọn tần số nên thêm nhiễu
trắng AWGN. Tại đầu thu, khoảng bảo vệ được loại bỏ, các mẫu được chuyển từ miền thời
gian sang miền tần số bằng bộ FFT, tiếp theo là giải mã.
1.5.1. Mã hóa kênh.
Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền số
liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chế
của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn
phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một
tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần
phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.[2]
Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao

gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu
phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là

9


đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà
còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại.
Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập
(convolutional code).
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật
xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin
đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi
các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy
ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại
mã hóa kênh.
1.5.2. Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở.
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế
BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các
nhóm có số bit khác nhau (1, 2, 4, 6,…) tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK,
QPSK, 16-QAM, 64-QAM,…
1.5.3. Kỹ thuật điều chế trong OFDM.
Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều
chế số, chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT. Tùy theo yêu cầu tốc độ
truyền dẫn và chất lượng tín hiệu mà hệ thống sử dụng các mức điều chế M khác nhau.
Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức dn= an + jbn ở ngõ ra.

10

M

Dạng điều chế

2

BPSK

an, bn
±1

4

QPSK

±1

16

16-QAM

±1 ±3
,

±1 ±3 ±5 ±7
, , ,
Bảng 1.1. Các phương thức điều chế số

64

64-QAM

Hình 1.3. Chùm tín hiệu 16-QAM
1.5.4. Bộ IDFT/DFT.
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều
chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con.
Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và
một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không
hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực
hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động
sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một
thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách
giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.

11


1.5.4.1. Phép biến đổi.
DFT là phép biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform), thực hiện
chuyển đổi tín hiệu x(n) trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền tần số X(k).
IDFT là quá trình ngược lại, thực hiện chuyển đổi phổ tín hiệu X(k) thành tín hiệu
x(n) trong miền thời gian.
Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến
đổi DFT là:
WN được xác định là ,do đó
Công thức biến đổi của IDFT là:
Chuyển đổi Fourier nhanh(FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và
gọn hơn.Từ công thức (1.4), (1.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm
•

Thời gian thực hiện phép nhân phức.

•

Thời gian thức hiện phép cộng phức.

•

Thời gian đọc các hệ số WN

•

Thời gian truyền số liệu.

Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời
gian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép
nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm
thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử

dụng thuật toán FFT. Để tính trực tiếp cần

N2

phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân

chỉ còn . Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là
Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
1.5.4.2.Ứng dụng của IFFT và FFT trong OFDM.

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

12


Trong đó:

là tín hiệu băng gốc

Ở băng gốc: Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s/N, tức là chọn N mẫu trong
một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.6) được viết lại như sau:
Nếu thỏa mãn điều kiện , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này phương
trình (1.7) được viết lại:
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có
chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu[2]

13


Thật vậy ta có:

Ở đây hàm δ(m-k) là hàm delta, được định nghĩa là :
Lý tưởng thì dữ liệu phía thu sẽ giống dữ liệu phía phát: X*k=Xk
1.5.5. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix).
Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường.
OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào được chia thành các

luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó
mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường.
Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng
bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn
hơn thời gian trễ của tín hiệu Fading. Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa
tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự OFDM sử
dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký
tự đó. Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP. Và tín hiệu đa
đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiện tượng ICI. Mặt
khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh
truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số
nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.[3]

14


Hình 1.4: Tiền tố lặp CP.
Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM.
Trong đó:
Tg

là chiều dài của khoảng bảo vệ.

Τmax

là trễ lớn nhất của ký tự.

Tx

là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu.

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: Tmax < Tx < Tg
Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu
mang tin tức trong ký tự OFDM.
1.5.6. Biến đổi cao tần RF.
Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần số
cao. Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phải
nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF.
Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở,
đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần.

15


1.6. Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM.

Hình 1.5: Cấu trúc khung dữ liệu OFDM.
Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương
M mức M-QAM.
Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các số
phức Xk,m. Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log 2M. N là số mẫu phức trong
một khung và m là chỉ số khung. Hay nói cách khác, Xk,m là mẫu phức của sóng mang phụ
thứ k trong ký tự OFDM thứ m.
N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược FFT
để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m .

Hình 1.6: Biến đổi IFFT và chèn CP.
Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP.

16

Hình 1.7: Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu.
Và tín hiệu băng gốc trước khi nâng tần của một ký tự OFDM như sau:
với

1.7. Ưu nhược điểm của OFDM.
1.7.1 Ưu điểm.
Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các
sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu
quả sử dụng phổ.
Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường
bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng
tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.
Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ
sử dụng tiền tố lặp CP.
Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợp
nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu
ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với
độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn
giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống
đơn tần.
Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi
Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả.
Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu
quả trong các môi trường đa đường dẫn.

17

1.7.2. Nhược điểm.
OFDM là một kĩ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kĩ
thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu
OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng
pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng
không hiệu quả bộ khuếch đại công suất lớn HPA .
OFDM rất nhạy với lệch tần số ( hiệu ứng Doppler), khi hiệu ứng dịch tần
Doppler xảy ra thì tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy
mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới lỗi khi giải điều chế các symbol.
Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký hiệu FFT. Vì vậy cần
phải đồng bộ giữa bên phát và bên thu.
1.8. Ứng dụng của OFDM.
Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệ
thống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đáp
ứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã… Mãi đến 20 năm sau, với sự ra
đời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đã
được hiện một cách dễ dàng với chi phí rẻ và ứng dụng rộng rãi. Ứng dụng đầu tiên
của OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trong
modem tốc độ cao và trong thông tin di động.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương
pháp điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực
thông tin vô tuyến hiện nay. OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nó
cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 5GHz ISM (dùng cho công
nghiệp, khoa học kỹ thuật và y học). Chuẩn 802.11g vừa mới thông qua cũng sử
dụng OFDM trong băng tần 2.4GHz ISM. Ngoài ra OFDM còn được sử dụng cho
WiMAX và cũng là sự lựa chọn cho hệ thống thông tin di động tế bào bao gồm 3G
LTE và UMB (Ultra Mobile Broadband).
OFDM còn được sử dụng cho truyền hình số mặt đất như là DVB (Digital
Video Broadcasting). Một hình thức mới mới của truyền thông gọi là Digital Radio

18


Mondiale dùng cho băng tần sóng trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹ
thuật OFDM. Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế cho
mạng di động thế hệ thứ tư (4G).
1.9. Kết luận chương.
Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM. Tuy
nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng
của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền. Chương tiếp theo sẽ đề
cập đến các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên
kênh truyền.

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN
2.1. Giới thiệu chương.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu.
Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm
nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi.Trong
chương này nêu rõ các đặc tính của kênh truyền vô tuyến như suy hao tín hiệu, hiệu ứng đa
đường với sự tác động rất nghiêm trọng bởi fading, ảnh hưởng của dịch Doppler, và sự tác
động của nhiễu trắng. Các nhiễu ISI và ICI tồn tại trong hệ thống OFDM cũng được nói rõ.
Đồng thời nêu lên một vài phương pháp ước lượng kênh truyền.
2.2. Đặc tính kênh truyền tín hiệu.
2.2.1. Khái niệm suy hao tín hiệu.
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ
điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng
và hiệu ứng đa đường.
Trong không gian tự do, sóng truyền sẽ bị lan tỏa ra có dạng hình cầu dẫn đến mật
độ công suất giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình cầu này.
Diện tích của hình cầu là 4πR2, tỷ lệ với bình phương bán kính R của hình cầu, do

đó trong không gian tự do, cường độ trường RF sẽ bị suy giảm tỷ lệ với bình phương
khoảng cách. Phương trình (2.1) biểu diễn công suất thu được theo công suất phát trong
không gian tự do.
Trong đó :

PR là công suất thu được (W).
19


PT là công suất phát (W).
GT là độ lợi của anten phát.
GR là độ lợi của anten thu.
λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m).
d là khoảng cách truyền dẫn (m).
2.2.2. Hiệu ứng đa đường.

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan toả trong không gian, va chạm vào
các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông,..
gây ra các hiện tượng: hiện tượng phản xạ, hiện tượng tán xạ, hiện tượng nhiễu xạ.

Hình 2.1: Tín hiệu tới phía thu theo L đường
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số các bản sao tín hiệu, một số
bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật
khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: thời điểm các bản sao này tới
máy thu khác nhau hay là độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau; các bản
sao này có suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của các bản sao này, tuỳ thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao:
20

Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha.
Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.
Tuỳ theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số
hay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm. Tuỳ theo đường
bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền mà có phân bố xác suất theo hàm phân bố
Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean.
2.2.3. Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số.
•

Khái niệm:
Fading phẳng xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của
tín hiệu. Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà tại đó đáp ứng
kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần
số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu là f 0. Trên hình 2.3,
kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát (f 0>W),
mọi thành phần tần số được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha
gần như nhau.
Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông
của kênh truyền. Kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín
hiệu phát (f0tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được
truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.

a, Fading phẳng

b, Fading lựa chọn tần số
Hình 2.2: Kênh truyền Fading.

•

Hàm truyền đạt

21


Đối với kênh truyền fading phẳng thì hàm truyền đạt của kênh không thay đổi
trong khoảng băng tần tín hiệu và việc sử dụng kênh băng hẹp là nhằm tạo
kênh truyền fading phẳng.
Đối với kênh truyền fading lựa chọn tần số thì hàm truyền đạt thay đổi đáng
kể trong khoảng băng tần tín hiệu, đó là nguyên nhân gây ra fading lựa chọn
tần số và ISI. Loại kênh truyền này thường là kênh truyền băng rộng.

a, Fading phẳng

b, Fading lựa chọn tần số.

Hình 2.3: Hàm truyền đạt của kênh truyền Fading.
•

Kết luận:
Với các hệ thống vô tuyến dung lượng lớn(70-80Mpbs) trở lên thì băng tần tín
hiệu khá rộng(C~B) nên sự suy hao phụ thuộc vào tần số càng rõ rệt. Cho nên
hiện tượng fading lựa chọn tần số là vấn đề thường được quan tâm tới ở các
hệ thống thông tin vô tuyến với dung lượng lớn.
Fading lựa chọn tần số có thể gây méo tuyến tính rất nghiêm trọng và nhiễu
ISI cũng được gây ra từ đây và là nguyên nhân ảnh hưởng đến sự gián đoạn
liên lạc ngay cả khi SNR rất lớn. Do đó để khắc phục nó người ta sử dụng một
số phương pháp sau:
+ Dùng phân tập không gian và phân tập theo tần số

+ Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER
+Trải phổ tín hiệu cũng có khả năng tách các tia sóng và tổng họp lại chúng ở đầu

thu
+Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM , phân toàn bộ băng tần
thành nhiều băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang và mỗi sóng mang này trực giao với

22


các sóng mang khác. Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra
tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất.
2.2.4. Fading nhanh và fading chậm.
Fading nhanh là loại fading xảy ra khi bên thu nhận được nhiều tia phản xạ, tín hiệu
tổng hợp gồm nhiều sóng có biên độ và pha khác nhau nên nó có tín hiệu thay đổi bất kỳ,
nhiều lúc chúng còn triệt tiêu lẫn nhau.
Fading chậm là loại fading do hiệu ứng che khuất bởi các địa hình xung quanh gây
nên như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm,
hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm.
Để đánh giá mức độ biến đổi của kênh thì thông qua cohenrence time, đây là đơn vị
thời gian tối thiểu mà biên độ tín hiệu mất tương quan so với giá trị tại thời điểm trước
đó[2]
Với
Đối với fading nhanh : Ts>Tc
Đối với fading chậm : TsVới Ts : khoảng ký tự
2.2.5. Trải trễ.
Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất trong khi các tín hiệu thu được tại đầu thu.
Trong điều chế OFDM, mỗi ký tự là tổng hợp của nhiều sóng mang con băng nhỏ
truyền dẫn song song. Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồng

chập nhau tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI. Để đảm bảo nhiễu ISI vẫn ở mức độ
cho phép, ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó ta có thể xác định
được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được.

23


2.2.6. Độ ổn định về tần số của kênh.
Độ ổn định về tần số của kênh phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng
băng tần tín hiệu. Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh được định nghĩa như sau:
Bề rộng độ ổn định tần số tỉ lệ nghịch với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τmax. Trễ
truyền dẫn càng lớn thì độ ổn định tần số của kênh càng nhỏ và ngược lại. Tùy thuộc vào
bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh được
định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số hay không.
Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của
hệ thống:

thì kênh được định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số (non-frequency

selective channel). Ngược lại nếu

thì kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số

(frequency selective channel).
2.2.7. Hiệu ứng Doppler.
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu.
Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được
sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số
thu được sẽ nhỏ hơn tần số phát đi. Tức là tần số ban đầu của tín hiệu bị dịch đi một
khoảng gọi là tần số Doppler. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ

thống. Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng.
Giả thiết góc tới của tuyến l so với hướng chuyển động của máy thu là , khi đó tần
số Doppler tương ứng của tuyến này là :
Trong đó:

f0 : tần số sóng mang của hệ thống.
v : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát.
c : vận tốc ánh sáng
Khi đó tần số tín hiệu thu được là:
2.2.8. Độ ổn định về thời gian của kênh.
Tùy thuộc vào độ dài mẫu tín hiệu so với bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh
mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc thời gian hay không.

24


Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu
tín hiệu của hệ thống

thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó được coi là không phụ thuộc

thời gian (time-invariant channel). Ngược lại nếu

thì kênh truyền dẫn của hệ thống được

coi là phụ thuộc thời gian (time-variant channel)
2.3. Nhiễu trong hệ thống thu phát.
2.3.1. Nhiễu trắng cộng Gauss.
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu như là
do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ,... làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.
Tạp âm nhiễu trắng cộng Gauss là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền
dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ
tuân theo phân bố Gauss. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vì
vậy tín hiệu thu được viết lại như sau:
Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất x
tuân theo phân bố xác suất Gauss với kỳ vọng μ bằng không và độ lệch chuẩn . Điều này
có nghĩa là:
Vì kỳ vọng bằng 0 nên độ lệch chuẩn cũng là phương sai của biến ngẫu nhiên x. Do
đó nhiễu trắng có công suất không đổi và là .
Nhiễu trắng Gauss tuân theo quy luật phân bố xác suất với hàm phân bố như sau:
Ở phân bố Gauss, thông số μ xác định điểm giữa của phân bố và thông số xác định
độ rộng của hàm phân bố
2.3.2. Nhiễu xuyên kí tự ISI (Inter-symbol interference).
ISI là nhiễu xuyên ký tự xảy ra khi các ký tự khác nhau đến máy thu cùng lúc dẫn
đến chồng lấn lên nhau và làm cho ký tự bị méo dạng và máy thu có thể giải mã sai về ký
tự này. Nguyên nhân chính của việc này chính là hiện tượng đa đường làm cho tín hiệu
được gửi trước lại đến sau và gây nhiễu lên tín hiệu đang gửi hiện hành. Hệ thống OFDM
hạn chế ảnh hưởng của nhiễu ISI bằng cách chèn các tiền tố lặp CP như đã trình bày ở
chương trước.

25